ネットワークスイッチ

Avaya ERS ​​2550T-PWR（50ポートイーサネットスイッチ）

ネットワークスイッチ（スイッチングハブ、ブリッジングハブ、イーサネットスイッチ、IEEEではMACブリッジ[ 1 ]とも呼ばれる）は、パケットスイッチングを使用してデータを受信して​​宛先デバイスに転送することにより、コンピュータネットワーク上のデバイスを接続するネットワークハードウェアです。

ネットワークスイッチは、MACアドレスを用いてOSI参照モデルのデータリンク層（第2層）でデータを転送するマルチポートネットワークブリッジです。一部のスイッチは、ルーティング機能を追加することで、ネットワーク層（第3層）でもデータを転送できます。このようなスイッチは、一般的にレイヤー3スイッチまたはマルチレイヤースイッチと呼ばれます。[ 2 ]

イーサネット用スイッチは、ネットワークスイッチの最も一般的な形式です。最初の MAC ブリッジ[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]は、1983 年にDigital Equipment Corporation (DEC)の Networking Advanced Development グループのエンジニアであった Mark Kempf によって発明されました[ 6 ]。最初の 2 ポート ブリッジ製品 (LANBridge 100) は、その直後に同社によって発表されました。同社はその後、GigaSwitch など、イーサネットとFDDI の両方に対応したマルチポートスイッチを製造しました。DEC は、IEEE 標準化を可能にするロイヤリティ フリーで非差別的なベースで MAC ブリッジの特許をライセンスすることに決定しました。これにより、Kalpanaなど他の多くの企業がマルチポート スイッチを製造できるようになりました[ 7 ]。イーサネットは当初、共有アクセス メディアでしたが、MAC ブリッジの導入により、衝突ドメインのない最も一般的なポイントツーポイント形式への変化が始まりました。ファイバー チャネル、非同期転送モード、InfiniBandなど、他の種類のネットワーク用のスイッチも存在します。

各ポートから同じデータをブロードキャストし、デバイスが自分宛てのデータを選択できるようにするリピータハブとは異なり、ネットワークスイッチは接続されたデバイスのイーサネットアドレスを学習し、アドレス指定されたデバイスに接続されたポートにのみデータを転送します。[ 8 ]

概要

Cisco Small Business SG300-28 28ポートギガビットイーサネット ラックマウント スイッチとその内部

スイッチは、コンピュータネットワークにおいて他のデバイスを接続するデバイスです。複数のデータケーブルをスイッチに接続することで、ネットワークに接続された異なるデバイス間の通信が可能になります。スイッチは、受信したネットワークパケットを、そのパケットの宛先となる1つまたは複数のデバイスにのみ送信することで、ネットワーク全体のデータフローを管理します。スイッチに接続された各ネットワークデバイスは、ネットワークアドレスによって識別されるため、スイッチはトラフィックフローを制御し、ネットワークのセキュリティと効率を最大限に高めることができます。

スイッチは、パケットを受信したポートを除くハブのすべてのポートからパケットを単純に再送信し、異なる受信者を区別できず、全体的なネットワーク効率が低下する イーサネット ハブよりもインテリジェントです。

イーサネットスイッチはOSI参照モデルのデータリンク層（第2層）で動作し、各スイッチポートに個別の衝突ドメインを作成します。スイッチポートに接続された各デバイスは、いつでも他のどのポートにもデータを転送でき、転送が干渉することはありません。[ a ]ブロードキャストはスイッチによって接続されているすべてのデバイスに転送されているため、新しく形成されたネットワークセグメントは引き続きブロードキャストドメインとなります。スイッチは、ネットワーク層以上を含むOSI参照モデルの上位層でも動作する場合があります。これらの上位層でも動作するスイッチは、マルチレイヤースイッチと呼ばれます。

セグメンテーションとは、スイッチを用いて大きな衝突ドメインを小さな衝突ドメインに分割することで、衝突確率を低減し、ネットワーク全体のスループットを向上させることです。極端なケース（マイクロセグメンテーション）では、各デバイスは専用のスイッチポートに直接接続されます。イーサネットハブとは異なり、各スイッチポートには個別の衝突ドメインが存在します。これにより、コンピュータはネットワークへのポイントツーポイント接続で専用の帯域幅を確保し、全二重モードで動作できるようになります。全二重モードでは、衝突ドメインごとに送信機と受信機がそれぞれ1つずつしか存在しないため、衝突は発生しません。

ネットワークスイッチは、現代のイーサネットローカルエリアネットワーク（LAN）のほとんどにおいて不可欠な役割を果たしています。中規模から大規模のLANには、複数のマネージドスイッチが接続されています。小規模オフィス／ホームオフィス（SOHO）アプリケーションでは、通常、単一のスイッチ、またはレジデンシャルゲートウェイなどの多目的デバイスを使用して、DSLやケーブルインターネットなどの小規模オフィス／ホームブロードバンドサービスにアクセスします。これらのケースのほとんどでは、エンドユーザーデバイスには、ルーターと、特定の物理ブロードバンドテクノロジーとインターフェースするコンポーネントが搭載されています。

多くのスイッチには、 Small Form-factor Pluggable (SFP) モジュールなどのプラガブル モジュールがあります。これらのモジュールには、スイッチを光ファイバー ケーブルなどの物理メディアに接続するトランシーバーが組み込まれていることがよくあります。[ 10 ] [ 11 ]また、モジュールの代わりに DAC (Direct Attach Copper) ケーブルを使用することもできます。[ 12 ]これらのモジュールの前には、アタッチメント ユニット インターフェイスを介してスイッチに接続されたメディア アタッチメント ユニットがありました[ 13 ] [ 14 ]そして、時間の経過とともに進化してきました。最初のモジュールはギガビット インターフェイス コンバーターで、その後、XENPAKモジュール、SFP モジュール、XFP トランシーバー、SFP+ モジュール、QSFP、[ 15 ] QSFP-DD、[ 16 ] OSFP [ 17 ]モジュールが続きました。プラガブル モジュールは、放送アプリケーションでビデオを送信するためにも使用されます。[ 18 ] [ 19 ]速度の向上と、トランシーバーをスイッチのスイッチングチップに近づけて消費電力を削減するCo-packaged Optics（CPO）の登場により、プラガブルモジュールは交換可能なレーザー光源となり、光ファイバーはプラガブルモジュールを介さずにスイッチの前面に直接接続されるようになりました。CPOは水冷への適応も大幅に容易です。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

ネットワークにおける役割

スイッチは、ネットワークエッジにあるホストへのネットワーク接続ポイントとして最も一般的に使用されます。階層型インターネットワーキングモデルや類似のネットワークアーキテクチャでは、スイッチはネットワークのより深い階層でも使用され、エッジにあるスイッチ間の接続を提供します。

商用スイッチでは、内蔵またはモジュール式のインターフェースにより、イーサネット、ファイバーチャネル、RapidIO、ATM、ITU-T G.hn、802.11など、さまざまな種類のネットワークに接続できます。これらの接続は、上記のどのレイヤーでも可能です。レイヤー2の機能は、1つの技術内での帯域幅のシフトには十分ですが、イーサネットやトークンリングなどの技術の相互接続は、レイヤー3またはルーティングを介してより容易に実行できます。[ 24 ]レイヤー3で相互接続するデバイスは、伝統的にルーターと呼ばれています。[ 25 ]

ネットワークのパフォーマンスとセキュリティに関する詳細な分析が必要な場合、分析モジュールを配置する場所として、WANルータ間にスイッチを接続することがあります。一部のベンダーは、スイッチポートに接続できるファイアウォール[ 26 ]、[ 27 ]、ネットワーク侵入検知[ 28 ]、パフォーマンス分析モジュールを提供しています。これらの機能の一部は、複合モジュールとして提供される場合もあります。[ 29 ]

ポートミラーリングを使用すると、スイッチは侵入検知システムやパケットスニファーなどの外部デバイスに送信できるデータのミラーイメージを作成できます。

最新のスイッチにはPower over Ethernet （PoE）が実装されている場合があり、 VoIP電話や無線アクセスポイントなどの接続デバイスに別途電源を供給する必要がなくなります。スイッチの電源回路を無停電電源装置（UPS）に接続できるため、接続されたデバイスはオフィスの通常の電源が停電した場合でも動作を継続できます。

1989年と1990年に、カルパナは最初のマルチポートイーサネットスイッチである7ポートEtherSwitchを発表しました。[ 30 ]

橋渡し

3つのネットワークモジュール（合計36個のイーサネットポート）と1つの電源を備えたモジュラーネットワークスイッチ
管理機能のない5ポートのレイヤー2スイッチ
管理機能のない5ポートのレイヤー2スイッチ

現代の商用スイッチは、主にイーサネットインターフェースを使用しています。イーサネットスイッチのコア機能は、複数のレイヤ2ブリッジングポートを提供することです。レイヤ1機能は、上位レイヤをサポートするためにすべてのスイッチに必須です。多くのスイッチは、他のレイヤでも動作を実行します。ブリッジング以上の機能を備えたデバイスは、マルチレイヤスイッチと呼ばれます。

レイヤー 2 ネットワーク デバイスは、ハードウェア アドレス ( MAC アドレス) を使用してデータ リンク レイヤー (レイヤー 2) でデータを処理および転送するマルチポート デバイスです。

ネットワークブリッジとして動作するスイッチは、本来は別々のレイヤー2ネットワークを相互接続することができます。ブリッジは接続された各デバイスのMACアドレスを学習し、そのデータをMACアドレスとポートをマッピングするテーブルに保存します。このテーブルは高速な連想メモリ（CAM）を使用して実装されることが多く、一部のベンダーはMACアドレステーブルをCAMテーブルと呼んでいます。

ブリッジは、受信パケットをバッファリングし、送信ポートの速度に合わせて伝送速度を調整します。ストレージエリアネットワークなど、入力インターフェースと出力インターフェースの帯域幅が同じである特殊なアプリケーションもありますが、一般的なLANアプリケーションでは必ずしもそうではありません。LANでは、エンドユーザーアクセス用のスイッチは通常、低帯域幅とアップリンクを高帯域幅に集約します。

フレームの先頭にあるイーサネットヘッダーには、転送の決定に必要なすべての情報が含まれています。一部の高性能スイッチは、送信元からフレームのペイロードを受信しながら、宛先へのフレーム転送を開始できます。このカットスルースイッチングにより、スイッチのレイテンシを大幅に削減できます。

スイッチ間の相互接続は、スパニングツリープロトコル（STP）を用いて制御することができます。STPはリンク上の転送を無効化し、結果として得られるローカルエリアネットワークをスイッチングループのないツリー構造にします。ルータとは対照的に、スパニングツリーブリッジは、2点間のアクティブパスが1つだけであるトポロジーを持つ必要があります。最短パスブリッジングとTRILL（Transparent Interconnection of Lots of Links）は、STPのレイヤー2代替であり、複数の等コストパスを持つすべてのパスをアクティブにすることができます。[ 31 ] [ 32 ]

種類

ラックマウント型24ポート3Comスイッチ

フォームファクター

ZyXEL ES-105A 5ポートデスクトップイーサネットスイッチ。スイッチの金属ケースが開かれ、内部の電子部品が露出しています。

スイッチには、配線クローゼットの外側にある家庭やオフィス環境で使用することを想定したスタンドアロンのデスクトップ ユニット、機器ラックやエンクロージャで使用するラックマウント スイッチ、産業環境で使用するためにDIN レールに取り付けられたスイッチ、および、たとえば光ファイバー インフラストラクチャで見られるようなケーブル ダクト、フロア ボックス、または通信タワーに取り付けられた小型設置スイッチなど、さまざまなフォームファクタがあります。

ラックマウント型スイッチは、スタンドアロン ユニット、スタック可能なスイッチ、または交換可能なライン カードを備えた大型シャーシ ユニットになります。

設定オプション

  • アンマネージドスイッチには設定インターフェースやオプションがありません。プラグアンドプレイ。一般的に最も安価なスイッチであるため、小規模オフィスやホームオフィス環境でよく使用されます。アンマネージドスイッチはデスクトップ型またはラックマウント型で使用できます。 [ 33 ]
  • マネージドスイッチには、スイッチの動作を変更するための1つ以上の方法があります。一般的な管理方法には、シリアルコンソール、Telnet、またはセキュアシェルを介してアクセスするコマンドラインインターフェース（CLI）、リモートコンソールまたは管理ステーションからの管理を可能にする組み込みの簡易ネットワーク管理プロトコル（SNMP）エージェント、またはWebブラウザからの管理のためのWebインターフェースなどがあります。マネージドスイッチには、スマートスイッチとエンタープライズマネージドスイッチの2つのサブクラスがあります。[ 33 ]
  • スマートスイッチ（インテリジェントスイッチとも呼ばれる）は、管理機能が限定されたマネージドスイッチです。同様に、Webマネージドスイッチは、アンマネージドスイッチとマネージドスイッチの中間に位置する市場ニッチなスイッチです。フルマネージドスイッチよりもはるかに低価格で、Webインターフェース（通常はCLIアクセスなし）を提供し、VLAN、ポート帯域幅、デュプレックスなどの基本設定を行うことができます。[ 34 ] [ 33 ]
  • エンタープライズマネージドスイッチ（マネージドスイッチとも呼ばれます）は、CLI、SNMPエージェント、Webインターフェースなど、包括的な管理機能を備えています。設定の表示、変更、バックアップ、復元など、設定を操作するための追加機能を備えている場合もあります。スマートスイッチと比較して、エンタープライズスイッチはカスタマイズや最適化が可能な機能が多く、一般的に高価です。エンタープライズスイッチは、多数のスイッチと接続を備えたネットワークで一般的に使用され、集中管理によって管理にかかる時間と労力を大幅に節約できます。スタッカブルスイッチは、エンタープライズマネージドスイッチの一種です。

一般的な管理機能

カテゴリー 6パッチ ケーブルを使用していくつかのパッチ パネルのイーサネット ポートに接続された、管理されたD-Linkギガビット イーサネット ラックマウント スイッチ(すべて標準の 19 インチ ラックにインストール)

交通監視

送信ポートと受信ポートのみがトラフィックを確認できるため、スイッチを使用してブリッジされたトラフィックを監視することは困難です。

ネットワーク アナリストがトラフィックを監視できるように特別に設計された方法には、次のものがあります。

  • ポートミラーリング – スイッチの目的は、トラフィックを不要なネットワークセグメントに転送しないことであるため、スイッチに接続されたノードは他のセグメントのトラフィックを監視できません。ポートミラーリングは、スイッチネットワークにおいてこの問題に対処する方法です。フレームを宛先に到達する可能性のあるポートにのみ転送するという通常の動作に加えて、スイッチは特定の監視ポートで受信したフレームを指定された監視ポートに転送します。これにより、スイッチでは通常は確認できないトラフィックを分析できます。
  • スイッチモニタリング（SMON）はRFC 2613で説明されており、ポートミラーリングなどの機能を制御するための規定です。[ 35 ]
  • RMON [ 36 ]
  • sFlow

これらの監視機能は、コンシューマーグレードのスイッチにはほとんど搭載されていません。他の監視方法としては、監視対象デバイスとそのスイッチポートの間にレイヤー1ハブまたはネットワークタップを接続する方法があります。[ 37 ]

参照

注記

  1. ^半二重モードでは、各スイッチポートは接続されたデバイスとの間で、特定の時間に受信または送信のいずれか一方しか行えません。全二重モードでは、接続されたデバイスも全二重モードをサポートしている場合、各スイッチポートは同時に送信と受信を行うことができます。 [ 9 ]

参考文献

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